Modul cím: MEDICINÁLIS ALAPISMERETEK BIOKÉMIA BIOENERGETIKA II. 1. kulcsszó cím:energia Szervezetünk tápanyagok felvételével, illetve azok lebontásával biztosítja a számára szükséges energiát. G001 Mint ahogy az ábra is mutatja, a szénhidrátok, zsírok valamint fehérjék lebontása egy közös útba torkollik, melynek végeredménye energia nyerése (ATP) lesz. G002 Azonban, hogy mikor mit használunk ATP szintézisére, az többek között a szervezet igénybevételétől is függ. 1. képernyő cím: Szénhidrátok A táplálkozás során nagy mennyiségben rendelkezésre álló, az izomzat számára könnyen felhasználható molekulák. Mérsékelt illetve nagy erőkifejtéskor szervezetünk többnyire szénhidrátot éget el. 1 mol glükóz lebontásakor ~ 689 kcal energia szabadul fel, aminek csak 38%-a fog ATP molekulában raktározódni, a többi hővé alakul. A szervezetbe került szénhidrátok a vérben glükózként folytatják útjukat, ami glikogén formájában az izomban és a májban raktározódik. Szükség esetén a glikogén a májban visszaalakul glükózzá, amit a vérkeringésből az izmok fel tudnak venni. G003 2. képernyő cím: Zsírok Nyugalomban és alacsony intenzitású, hosszú terheléskor szolgálnak energiaforrásként. Szervezetünk zsírraktárai lényegesen nagyobbak, mint a szénhidrát raktár. A zsírsejtek 95%-a triglicerid formájában raktározza a zsírcseppeket. A zsírok nehezebben hozzáférhetőek az energiaháztartás szempontjából, mert először glicerinre és szabad zsírsavakra (FFA) kell bomlaniuk, amely időigényes folyamat. G004 3. képernyő cím: Szervezetünk tápanyag- és energiaraktárai
g kcal Szénhidrátok Máj glikogén 110 451 Izom glikogén 500 2050 Testfolyadék glükóz 15 62 Összes 625 2563 Zsír Bőr alatti zsigerek 7800 73320 Izom 161 1513 Összes 7961 74833 Megjegyzés: Az adatok egy átlagos, 65 kg tömegű és 12% zsírtartalmú emberre vonatkoznak 4. képernyő cím: Az izom trigliceridszintjének visszaállítása fizikai terhelés után Munkavégzés után a vékonybélből, a májból és a zsírszövetből zsírsavak szállítódnak az izomba, hogy a trigliceridek mennyisége megfelelő szinten legyen. G005 5. képernyő cím: Az energiaforrás különböző intenzitású terheléskor Nyugalomban és 40%-os Wmax esetén szervezetünk az energia több mint a felét lipidekből nyeri. Azonban fokozottabb igénybevételkor (Wmax 55%-a és 75%-a) a szénhidrátok szolgáltatnak több energiát. A diagram azt is mutatja, hogy az izomban tárolt glikogénből nagyobb mennyiségű energia képződik (a nyugalmi helyzet kivételével), mint a plazma glükózból. G006 6. képernyő cím: Fehérjék A fehérjék építőegységei - az aminosavak használhatók energia nyerésére (~ 4,1 kcal energia/g fehérje). Szerepe akkor fontos, mikor a szervezet már nem képes az energiát a szénhidrátokból előállítani. Az aminosav energiaforrásként akkor használható, ha glükózzá alakul a glükoneogenezis során. Éhezéskor a lipogenezisen keresztül szabad zsírsavakat képezhetnek, amiből szintén energia
állítható elő. G007 7. képernyő cím: Az energiaszolgáltató rendszerek Közvetlen energiaforrás: az ATP kreatin-foszfát (ATP-PCr) rendszer A vázizom kb. 5 mmol ATP-t és 15 mmol kreatin-foszfátot tartalmaz kg-onként. Ha mondjuk izomzatunk 20 kg-ja végez fizikai munkát, akkor az ATP-PCr rendszerből származó közvetlen energia egy 1 perces gyors sétára, egy 20-30 másodperces lassú futásra, egy 6-8 másodperces sprintfutásra vagy úszásra elegendő. Az elhasználódott ATP újratermelését kreatin- foszfátból (PCr) a kreatin- kináz enzim végzi. G008 Az ATP kreatin-foszfát rendszer működik rövid időtartamú, erős intenzitású igénybevétel esetén (súlyemelés, 100 m-es sprint, 25 m-es úszás, labdajátékok, küzdősportok, stb ). G009 Az izom adenozin-trifoszfát (ATP) és kreatin-foszfát (PCr) koncentrációjának változása maximális erőkifejtéskor (sprint). Az izmok ATP mennyiségének szinten tartása a kreatin-foszfát által korlátozott. Az ATP-PCr rendszer mellett a másik gyors energiaszolgáltató a laktát-, vagy glikolítikus rendszer. Intenzív terheléskor az izomban raktározott glikogénből ATP nyerhető a glikolízis útján. Azonban a képződött piroszőlősavból anaerob körülmények között tejsav lesz, így az ezen az úton nyert energia (ATP) mennyisége nem túl nagy. 1 mol glikogén bontásából mindössze 3 mol ATP keletkezik. A két rendszer - az ATP-PCr és a laktát - együtt egy erős intenzitású igénybevétel első perceire szolgáltat elegendő mennyiségű energiát anaerob körülmények között. A harmadik energiaforrás az oxidatív-, vagy aerob rendszer.
Szerepe a 2-3 percnél hosszabb fizikai terhelés esetén kerül előtérbe (800 m-nél hosszabb távú futás, 200 m-nél hosszabb távú úszás, evezés, labdajátékok, sífutás, stb.). Ez a rendszer oxigén jelenlétében jóval több energiát képes biztosítani, mint az ATP-PCr és a laktát-szisztéma (38 ATP/ 1 glükóz). 8. képernyő cím: Szervezetünk energiaforrásai A táblázat adataiból jól látszik, hogy fordított a kapcsolat az energiaraktárak ATP mennyisége és az ATP előállításának sebessége között. Így a legkisebb forrásból (PCr) termelődik a leggyorsabban az energia, míg a legnagyobb raktárból (zsírszövet triglicerid) az egyik leglassabban. G010 9. képernyő cím: A három energiaszolgáltató rendszer kapcsolata Számos sporttevékenység (pl. labdajátékok) esetén a kemény, erős intenzitású terhelés váltakozik mérsékeltebb, könnyedebb, esetleg nyugalmi periódussal. Ilyenkor nagyon rövid időn belül változik az energiaforrások százalékos aránya. G011 Az ábra két egymást követő 30 másodperces maximális intenzitású terhelés (kerékpározás) alatt az energiaszolgáltatás (anaerob, aerob) százalékos megoszlását mutatja. A két esemény között 4 perces szünet van beiktatva. Az első fél perces terhelés alatt az anaerob úton nyert energia sokkal jelentősebb, mint a második alkalommal. G012 10. képernyő cím: A fizikai terhelés időtartama és intenzitása közötti kapcsolat Egy 5 perces maximális terheléskor az egyes energiaforrások százalékos megoszlásának változása. Az ábrán jól látszik, hogy az első mintegy 7 másodpercben az ATP-PCr rendszer a domináló, míg a 7-60 másodperc közötti időszakban az anaerob glikolízis. Közben egy kis késéssel beindul az oxidatív szisztéma is, ami aztán átveszi a főszerepet. G013 A fizikai aktivitás időtartamának és intenzitásának a kapcsolata, valamint a felhasznált energiaforrások aránya jól tanulmányozható a különböző távú futás illetve úszás esetén. 11. képernyő cím: Energiaforrások különböző távú futáskor A táblázat nyolc különböző távú futás esetén mutatja az energiaszolgáltató rendszerek részvételének arányát. A sebesség (intenzitás) a távolság növekedésével csökken a 100 és 200 m-es táv kivételével. A laktát (anaerob glikolízis) rendszer kulcsfontosságú a 100, 200 és 400 m- es táv esetén. Az oxidatív (aerob) szisztéma a 800, 1500, 5000, 10000 m, illetve maratoni futáskor egyértelmű túlsúlyban van. G014 12. képernyő cím: A táplálék hatása a választott energiaforrásokra
A felvett táplálékok befolyásolhatják az energiaforrások mennyiségét. Az A ábra egy edzett egyén 70-75% VO2max intenzitású terhelésekor (kerékpározás) az izomban tárolt glikogénből, plazma glükózból, illetve lipidekből nyert energia százalékos eloszlásában bekövetkezett változásokat mutatja be egy 3 órás időintervallum alatt (kifáradás). Ekkorra az összenergiatermelésnek csak mintegy 30%-át adják a szénhidrátok. Azonban, ha az egyén szénhidrátot vesz magához a fizikai terhelés alatt (B ábra), akkor a kerékpározás időtartama megnövekszik (+1 óra), ráadásul a szénhidrátokokból nyert energia még mindig 50% körüli. G015 13. képernyő cím: Az energiaforrások megoszlásának változása állóképességi (aerob) edzés esetén Az edzettségi állapot befolyásolja a fizikai terhelés alatt használt energiaforrások arányát. Röviden összegezve elmondható, hogy az állóképességi edzés növeli a lipidekből nyert energia mértékét a szénhidrátokhoz képest hosszabb idejű aktivitás alatt. Több héten át tartó állóképességi edzés (90 perces kerékpározás, 60% VO 2 max) hatására bekövetkezett arányváltozások az energiaforrások között. Ha az edzés utáni teszteket ugyanazon a.relatív intenzitáson (60%-a az új VO 2 max-nak, ami ebben az esetben 20%-kal magasabb az eredetinél) végzik, akkor nincs eltolódás a lipidek javára a szénhidrátokkal szemben. G016 Hogy miért használ az izom több lipidet állóképességi edzéskor? Növekszik a mitokondriumok száma, illetve azok mérete. Egy 6 hónapos állóképességi edzést követően mintegy kétszer annyi mitokondrium van az izomrostban mint eredetileg volt, ami által pl. a citrátkör vagy a b-oxidáció enzimei is jóval nagyobb számban vannak jelen, megnövelve az ATP újratermelődés lehetőségét. Az ATP képzésében szerepet játszó két enzim aktivitása különböző edzettségi szinten lévő egyének esetén eltérő. G017 Elektronmikroszkópos kép mitokondriumról (A), izom glikogénszemcsékről (B), és trigliceridet tartalmazó vakuólumokról (C). G018 Csökken a GLUT4 fizikai aktivitás indukálta transzlokációja. Habár a GLUT4 mennyisége növekedik a tréning után, azonban csökken a sejtmembránba történő beépülése, ezáltal
az edzett izom kevesebb glükózt képes felvenni a plazmából. Emelkedik az izomban tárolt glikogén mennyisége. Ez részben azért van, mert edzés hatására nő az inzulinérzékenység. Az inzulin nemcsak a glükóz felvételét segíti, hanem a glikogén szintézisét is. Állóképességi terhelés esetén megnő a glikogén-szintáz enzim mennyisége, így több glikogén fog képződni. Növekedik a myocelluláris trigliceridek mennyisége. A plazmából több zsírsavat tud felvenni az izom, mert megnő a kapillárisok, az endothel sejtek felszínén a lipoproteinlipázok, illetve a szarkolemma zsírsav-transzportereinek a száma. Mikroszkópos felvételen jól látszik a A B különbség az izomrostok körüli kapillárisok számát illetően edzetlen (A) és edzett (B) egyén esetén G019 Mindent együttvéve állóképességi edzés esetén az izmok úgy adaptálódnak a megváltozott körülményekhez, hogy a lipidek oxidációja fokozódik a glikogénével szemben. Ehhez még mérsékelt intenzitású terheléskor az izom alacsonyabb glükózfelvétele is járul, ami azt eredményezi, hogy a lipidek arányban veszik ki a részüket az energia előállításában. 14. képernyő cím: Az energiarendszerek adaptációja anaerob terhelésekhez Anaerob munkavégzés (erő-, és sprintedzés) nem okoz olyan markáns változást az energiaszolgáltató rendszerek százalékos arányában, mint egy aerob tréning. Milyen hatása van az anaerob aktivitásnak az energia-metabolizmusra? Az erőedzés növeli az izom PCr és glikogén koncentrációját. Növekedik a glikolítikus enzimek és a laktát-dehidrogenáz aktivitása. Az izom hipertrófizációja következik be (elsősorban a IIA ésiib típus). Az izom anaerob enzimeinek - kreatin- kináz (CK) és miokináz (MK) - aktivitásának változását mutatja 6 illetve 30 másodperces maximális erőkifejtésű anaerob tréning után. G020 Sprintedzés esetén az ATP-PCr rendszer enzimei enyhe aktivitásnövekedést mutatnak.
Emellett a mitokondriális enzimeknél is hasonló tendencia figyelhető meg. Az izomrostok közül a IIA típusú rostok aránya növekszik. 15. képernyő cím: A laktát-küszöb változása edzés hatására A szervezetben felhalmozódott laktát jelentős mértékben befolyásolja a teljesítményt. Minél magasabb a laktát- küszöb, annál jobb az aerob teljesítőképesség. Az ábrákon jól látszik, hogy állóképességi edzést végző egyén vérében később kezd emelkedni a laktát szintje, ennek megfelelően jobb a teljesítőképessége. G021 16. képernyő cím: A kifáradás Egy fizikai tevékenység velejárója, hogy a szervezet előbb vagy utóbb, de nem képes a terhelést ugyanolyan intenzitással végezni - kimerül. A fáradás fokozatosan jelentkezik, az izomkontrakciók ismétlődésével. A fáradásnak két formája van: centrális és perifériális. Centrális fáradás esetén a központi idegrendszer felől jövő impulzusok frekvenciája csökken. Lehetséges okai: hypoglikémia (elsősorban hosszabb igénybevétel esetén); dehidráció; hipertermia; katekolaminok, szerotonin megnövekedett szintézise. Hisztokémiai eljárással láthatóvá tett glikogén az izomrostban. FT = fast-twitch rost G022 A perifériális fáradás magában az izomban vagy az ideg-izom kapcsolatban (neuromuszkuláris junkció) bekövetkezett változásokra vezethető vissza. Okai: a működő izom esetén megnő az extracelluláris K + koncentráció, aminek következtében
csökken a szarkolemma ingerelhetősége; az ACh szintézise és felszabadulása kisebb mértékű; a PCr elhasználása; a citoszolban lévő Ca 2+ koncentráció csökkenése; a laktát és a H+ felhalmozódása (elsősorban 30 percnél rövidebb idejű terheléskor). Rövid idejű terhelés esetén az anaerob glikolízis következtében laktát és H + képződik. A sejtek pufferkapacitásuk révén (HCO 3 ) képesek a ph-t 6,4 és 7,1 között tartani. Azonban ha az intracelluláris ph 6,9 alatt van, a glikolízis és ATP termelés mértéke csökkeni fog. Ha a ph eléri a 6,4-et, a glikolízis leáll - kifáradás. Elsősorban az izom ph az,ami befolyásolja a teljesítőképességet. G023 17. képernyő cím: A szervezet terhelés utáni oxigénszükséglete (EPOC) A fizikai aktivitás befejezése után nem tér vissza rögtön az oxigénfelvétel az eredeti (nyugalmi) szintre, habár a munkavégzéshez aerob úton nyert energia előállítása már nem szükséges. A nagyobb oxigénfogyasztás többek között az energiaraktárak (ATP-PCr) helyreállításához, a felhalmozódott laktát eltávolításához elengedhetetlen. A katekolaminok jelenléte és a magasabb testhőmérséklet is hozzájárul a magasabb oxigénfelvételhez.g024
Képgyűjtemény: G001 G002
G003 G004
G005 G006
G007 G008
G009 G010
G011 G012
G013 G014
G015 G016
G017 G018 G019
G020 G021 G022
G023 G024